Princípio do projeto de holografia de metassuperfície e resultados estatísticos do número de cada nanofin (diferentes seções transversais e ângulos de orientação) contidos nos hologramas de metassuperfície projetados. Ilustrações esquemáticas de hologramas multiplexados por polarização baseados em metassuperfícies dielétricas. As setas vermelha e azul indicam a polarização da luz incidente e o eixo de transmissão do polarizador colocado atrás da amostra de metassuperfície. O vermelho, azul, e a cor verde das imagens reconstruídas (as palavras "holografia", “Meta”, e "superfície") representam os componentes da luz de saída, respectivamente. a) Polarização de dois canais e um holograma multiplexado em ângulo baseado em metassuperfícies compostas por nanofins com diferentes seções transversais, mas ângulos de orientação fixos, que pode ser usado para reconstruir dois conjuntos de imagens fora do eixo. b) Holograma multiplexado com polarização multicanal baseado em metassuperfícies compostas por nanofins com diferentes seções transversais e ângulos de orientação, que pode ser usado para reconstruir três imagens independentes e todas as combinações dessas imagens (12 canais no total). c) Holograma multiplexado em ângulo e polarização de dois canais (permite o aparecimento de um "tigre de desenho animado", “Cartoon boneco de neve”, “Bule”, "xícara"), b) Holograma multiplexado com polarização multicanal (aparecimento da palavra "holografia", “Meta”, “Superfície”) c) Holograma multiplexado com polarização multicanal (aparência de “dados”) d Holograma multiplexado com polarização multicanal (aparência de uma “pessoa de desenho animado”). Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-018-0091-0.
A holografia é uma ferramenta poderosa que pode reconstruir as frentes de onda da luz e combinar as propriedades fundamentais da amplitude da onda, Estágio, polarização, vetor de onda e frequência. Técnicas inteligentes de multiplexação (integração de múltiplos sinais) junto com projetos de metassuperfície estão atualmente em alta demanda para explorar a capacidade de projetar sistemas de armazenamento de informações e aumentar a segurança de criptografia óptica usando tais hologramas de metassuperfície.
A holografia baseada em metassuperfícies é um candidato promissor para aplicações em displays / armazenamento ópticos com enorme capacidade de carga de informações ao lado de um grande campo de visão em comparação com os métodos tradicionais. Para realizar hologramas de metassuperfície de forma prática, perfis holográficos devem ser codificados em nanoestruturas ultrafinas que possuem fortes interações luz-matéria (interações plasmônicas) em uma distância ultracurta. Metasurfaces pode controlar ondas de luz e acústicas de uma maneira não vista na natureza para fornecer uma plataforma flexível e compacta e realizar uma variedade de hologramas vetoriais, com informações de alta dimensão que ultrapassam os limites dos cristais líquidos ou fotoresistentes ópticos.
Entre as técnicas existentes empregadas para alcançar propriedades ópticas altamente desejadas, a multiplexação de polarização (integração de múltiplos sinais) é um método atraente. O forte cross-talk associado a tais plataformas pode, Contudo, ser evitada com metassuperfícies birrefringentes (superfícies bidimensionais com dois índices de refração diferentes) compostas por um único meta-átomo por célula unitária para multiplexação de polarização otimizada.
No entanto, a capacidade total de todos os canais de polarização ainda precisa ser explorada para melhorar a capacidade de armazenamento de informações em hologramas de metassuperfície e em dispositivos ópticos holográficos. Em um estudo recente, Ruizhe Zhao e colegas de trabalho demonstraram um novo método para realizar holografia vetorial multicanal para exibição dinâmica e aplicativos de alta segurança. No estudo, Metassuperfícies birrefringentes foram exploradas para controlar canais de polarização e processar informações muito diferentes por meio de rotação. As imagens vetoriais reconstruídas podem ser trocadas de uma forma para outra com diafonia insignificante, selecionando uma combinação de estados de polarização de entrada / saída. Os resultados agora são publicados em Light:Ciência e Aplicações .
A polarização de dois canais e o holograma multiplexado em ângulo representam um tigre de desenho animado, boneco de neve dos desenhos animados, bule e xícara de chá. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-018-0091-0.
Os cientistas primeiro derivaram um algoritmo de multiplexação para suportar a exibição holográfica vetorial dinâmica e o processo de criptografia. Usando as chaves de polarização corretas, o receptor poderia obter as informações exatas entregues. Ao aumentar a complexidade dessas imagens, flexibilidade ainda maior foi obtida juntamente com a análise detalhada das propriedades da imagem vetorial reconstruída. Uma vez que o dispositivo que contém metassuperfícies é compacto em tamanho, na prática, pode ser facilmente transportado com informações codificadas.
Para padronizar o design de interesse, Zhao et al. projetou várias metassuperfícies dielétricas de silício no topo de um substrato de vidro usando corrosão de plasma, seguido por litografia por feixe de elétrons. As metassuperfícies eram compostas por 1000 x 1000 nanofins, isto é, nanoestruturas com a capacidade de aumentar a transferência de calor por meio do aumento da área de superfície e das interações líquido-sólido. Os pesquisadores estudaram dois esquemas de múltiplos canais de polarização; com ou sem rotação usando as metassuperfícies dielétricas birrefringentes - para realizar os hologramas.
a) Ilustração esquemática de uma nanofin de silício amorfo posicionada em um substrato de vidro. A metassuperfície será composta por um arranjo periódico de tais células unitárias. b – e) Resultados da simulação para a amplitude e fase dos coeficientes de transmissão txx e tyy mostrados para uma otimização de parâmetro 2D usando um método de análise de onda acoplada rigoroso. O comprimento e a largura do nanofin são varridos na faixa de 80–280 nm em um comprimento de onda incidente de 800 nm. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-018-0091-0.
As metassuperfícies dielétricas birrefringentes foram projetadas usando nanofins de silício sobre um substrato de vidro. Para alcançar as mudanças de fase desejadas, A otimização do parâmetro 2-D foi conduzida usando um método rigoroso de análise de onda acoplada (RCWA). O método semi-analítico RCWA é normalmente aplicado em eletromagnética computacional para resolver o espalhamento de estruturas dielétricas periódicas. O comprimento L e a largura W da nanofin estavam na faixa de 80 a 280 nm, altura a 600 nm e tamanho do período P a 400 nm. Os valores foram selecionados cuidadosamente para garantir que a fase da luz emitida eliminasse quaisquer ordens indesejadas de difração. Para a simulação, o nanofin foi colocado em um substrato de vidro e submetido a um comprimento de onda fixo de luz incidente em 800 nm. Os resultados da simulação indicaram que a amplitude de transmissão para a maioria dos nanofins com diversas seções transversais estava além de 90 por cento de eficiência. Os cientistas determinaram os ângulos de orientação dos nanofins usando equações derivadas no estudo para demonstrar experimentalmente a multiplexação por polarização multicanal.
Configuração experimental e imagens de microscopia eletrônica de varredura das amostras de metassuperfície fabricadas. a) A configuração experimental para a observação das imagens holográficas. Os dois polarizadores lineares (LP1, LP2) e duas placas de quarto de onda (QWP1, QWP2) são usados para definir a combinação de polarização precisa para a luz incidente / transmitida. A lente captura o plano focal posterior da lente da objetiva do microscópio (× 40 / 0,6) para uma câmera CCD. b – e) Imagens de microscopia eletrônica de varredura de duas amostras de metassuperfície de silício fabricadas típicas mostradas com uma vista superior e lateral. Os hologramas de metassuperfície são compostos de 1000 × 1000 nanofins com diferentes seções transversais e ângulos de orientação. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-018-0091-0.
Para a caracterização óptica dos hologramas de metassuperfície, Zhao et al. usou uma configuração experimental. A taxa de ampliação e a abertura numérica da lente objetiva foram cuidadosamente escolhidas para coletar toda a luz de difração da amostra e reconstruir as imagens holográficas no plano de Fourier. Os cientistas usaram uma segunda objetiva / lente para capturar o avião de Fourier em uma câmera CCD. Eles também observaram separadamente duas imagens de microscopia eletrônica de varredura das amostras com ou sem rotação para caracterizar a superfície projetada.
Como prova de princípio, usando as metasuperfícies, Zhao et al. construiu imagens holográficas de um tigre de desenho animado e um boneco de neve que apareceu com alta fidelidade e alta resolução quando iluminados por luz x-polarizada. Quando a luz incidente foi trocada para polarização y, as imagens reconstruídas mudaram para um bule e uma xícara de chá. Neste experimento, apenas dois canais de polarização estavam disponíveis na configuração, com ambos os pares de imagens holográficas reconstruídas e feitas para desaparecer simultaneamente girando o polarizador atrás da amostra. Os resultados experimentais foram concordantes com a simulação para confirmar o princípio fundamental de design do estudo. A eficiência de difração líquida do holograma foi definida como a razão da intensidade da única imagem reconstruída para a potência da luz incidente.
Hologramas multiplexados por polarização multicanal (“Dados”). Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-018-0091-0.
Os cientistas foram capazes de projetar e construir funcionalidades de multiplexação mais complexas com 12 canais usando os mesmos princípios de design posteriores. As imagens vetoriais foram vistas como reconstruções holográficas com as combinações de polarização de entrada / saída desenvolvidas conforme proposto. A técnica também pode ser usada para criptografar imagens diferentes no mesmo local espacial. Na criptografia, tal superposição pode transmitir um significado diferente na reconstrução. Como um exemplo, os cientistas escolheram a imagem de um dado com seis superfícies representativas, e usando diferentes combinações de estados de polarização de entrada / saída, codificou até seis imagens para visualização.
O algoritmo de multiplexação derivado do estudo auxiliou na exibição holográfica vetorial dinâmica e na criptografia de imagens codificadas em metassuperfícies dielétricas birrefringentes. Usando as chaves de polarização corretas, um receptor poderia obter as informações exatas entregues. Maior flexibilidade pode ser obtida aumentando a complexidade da imagem e alterando o meio de criptografia para dióxido de titânio (TiO 2 ) ou nitreto de silício (SiN). A combinação de polarização correta garantiu a informação para maior complexidade durante a descriptografia.
O holograma multicanal manteve uma largura de banda de trabalho relativamente grande, uma vez que as imagens reconstruídas puderam ser observadas longe do comprimento de onda projetado de 800 nm. O estudo estabeleceu uma técnica de design e engenharia que combinou propriedades birrefringentes de nanofins simples usados como blocos de construção, com liberdade extra de design de matriz de rotação e algoritmos de multiplexação inteligentes. Os resultados permitiram hologramas multiplexados com polarização multicanal de alta dimensão, com até 12 canais de polarização. Desta maneira, criptografia eficiente baseada em luz e técnicas de exibição holográfica multicanal integrada podem preparar o caminho para comunicação avançada em aplicações de alta segurança.
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